上海光源-详解.docx

    上海光源    上海光源 又名：ShanghaiSynchrotronRadiationFacility,英文简写为SSRF 分类： 激光 属性： 事件 目录 · ·简介 · ·建设大事记  · ·首获成功  · ·同步辐射  · ·先进性 · ·国际地位 · ·目标技术 · ·建设时间表  · ·应用前景 · ·科学意义与社会效益  ·· 上海光源 上海光源是中国重大科学工程，投资逾12亿人民币，2004年12月25日开工，坐落上海张江高科技园区，这是中国迄今为止（2010年1月20日）规模最大的这个科学装置建成后，将对推动中国多学科领域的科技创新和产业升级产生重大作用上海光源装置由中国科学院和上海市共同出资建设，占地约300亩，预计2009年建成投入应用简介2010年1月19日下午在上海顺利通过国家验收标志着中国这一性能指标达到世界一流的中能第三代同步辐射光源，历经十年立项和五十二个月紧张建设，已全面、优质、按期完成工程建设任务，即将正式对中外各学科领域的科研用户开放 上海光源,即SSRF (Shanghai Synchrotron Radiation Facility) 　　我国跨世纪最大的科学工程，投资逾12亿人民币，2004年12月开工，坐落上海张江高科技园区。

　　作为国家级大科学装置和多学科的实验平台，上海光源由全能量注入器（包括150MeV电子直线加速器、周长180米的全能量增强器和注入／引出系统）、电子储存环（周长432米，能量3.5GeV）、光束线和实验站组成 　　在这个硕大的圆形装置中，全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量，无数电子束以接近光的速度在闭合环形的真空电子储存环中运行，并在拐弯时放出同步辐射光电子储存环是同步辐射光源的主体与核心，它的性能直接决定了同步辐射光源性能的优劣为了保证向用户提供在空间位置上高度稳定的同步辐射光，电子束轨道的稳定需要被控制在微米量级 　　光束线沿着电子储存环的外侧分布，它起着用户实验站与电子储存环之间的桥梁作用也就是说这道“光闸”将从电子储存环引出的同步辐射光束“条分缕析”出从远红外到硬X射线等不同波长的同步射光，并按用户要求进行准直、聚焦等再加工，然后输送到用户实验站 　　在实验站，同步辐射光被“照射”到各种各样的实验样品上，同时科学仪器记录下实验样品的各种反应信息或变化，经处理后变成一系列反映自然奥秘的曲线或图像科学家和工程师们不仅可以利用强大光速快速测定蛋白质三维晶体结构，还能完成对超大规模集成电路的“精雕细刻”。

　　从2004年12月25日正式破土动工，到2009年4月完成调试后向用户开放，这台投资超过12亿人民币的中能第三代同步辐射光源，能量仅次于世界上仅有的3台高能光源 　　重要影响 2009年3月16日，中控室监控加速器工作 　　“上海光源”光源能量位居世界第四，是世界上性能最好的中能光源之一上海光源”具有建设60条以上光束线和上百个实验站的能力，可同时提供从远红外线、紫外线，到硬X射线等不同波长的高亮度光束，每年供光机时将超过5000小时，每天可容纳几百名科研人员，在各自的实验站上，使用同步辐射光进行多学科前沿研究和高新技术开发应用 　　科学家利用上海光源装置，可破解生物大分子三维结构，揭示蛋白质空间结构，为正在到来的“后基因组时代”生命科学研究创造优良条件，使中国生命科学迅速进入结构分子生物学的世界前列，并从“源头”上促进中国医学、制药和生物技术产业的创新发展利用上海光源的X光显微成像和断层扫描成像技术，可直接获取亚细胞结构图像，给中国科学家提供全新的生命动态视野，这可能成为21世纪初中国生命科学的光辉里程碑用上海光源中的高亮度Ｘ射线光束，可揭示材料中原子的精确构造，以便设计出更多丰富人们生活的新颖材料。

用上海光源中的双色减影心血管造影技术，可为心血管疾患作快速清晰的早期诊断利用上海光源中的Ｘ射线深度刻蚀光刻技术， 可制造肉眼难以看清的微型马达、微型齿轮、微型传感器、微型泵阀，以及微型医用器件等 　　上海光源装置建成后，还将直接带动中国电子工业、精密机械加工业、超大系统自动控制技术、高稳定建筑技术，以及其它相关工业的快速发展 首获成功 实验测量与理论计算的真空波荡器辐射光谱 　　硬X射线微聚焦及应用光束线站（BL15U1）是上海光源工程首批光束线站中，第一条进行调试的真空波荡器光束线站2009年2月6日下午，科研人员完成了调束前准备工作，晚18:00开始正式调束，随即在光束线荧光靶和丝扫描探测器上分别观测到波荡器辐射光斑和光电流，21:30分在实验站铍窗出口处的电离室上探测到波荡器辐射的5.4 keV单色光（3次谐波），并扫描获得该能量下单色器摇摆曲线，实现了首轮调束目标随后，科研人员连续奋战，测量了波荡器光源3－11次谐波辐射光谱，完成Cu的近边吸收谱的测量和单色器能量标定，测量了微量元素标准样品SRM610（500ppm）和SRM614（1ppm）的荧光谱 　　BL15U1线站使用的真空波荡器由中国科学院上海应用物理研究所自行设计和研制，是国内第一台真空波荡器。

真空波荡器是决定中能第三代同步辐射光源能否产生可与高能光源相比的硬X射线的重大关键设备，其结构复杂、工艺难度高，是集高精度磁体技术、超高真空技术、精密机械传动和控制技术等多项高技术于一体的光源设备BL15U1线站使用的这台波荡器共80个磁周期，周期长度25mm，采用混合型磁体结构，最小工作磁间隙7mm，最大峰值磁场强度0.95T；波荡器为真空型结构，全部磁体和支撑梁处于超高真空环境中；机械传动采用磁列锥度可调、双电机驱动方案，通过控制系统操作实现上下磁列平行模式和锥度模式运行上海光源首批线站使用的两台真空波荡器原计划整机从美国公司进口，由于该公司制造工期严重延误，为确保进度，上海光源工程经理部于2008年3月决定紧急启动自主研制两台真空波荡器的工作工程经理部从各相关系统抽调技术骨干组成项目组，集中力量研制，经过设备调研、方案设计、工程设计与评审、非标设备制造和标准设备采购、设备总装和调试，仅用11个月的时间就完成了国内首台真空波荡器的研制，为最后工程节点的可控提供了保证2009年1月28日，这台真空波荡器完成磁场、真空、机械与控制等性能测试，顺利安装到储存环上；2月3日完成现场准直、真空安装调试、电气安装和联合调试，2月4日调试出光。

根据实测的辐射光谱进行优化后，光束线末端的探测器上已观察到波荡器高强度的11次高次谐波辐射，从实测强度归算出的波荡器相位误差约在4度的水平，达到预期目标 同步辐射 BL15U1线站获得的Cu的近边吸收谱 　　同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射,其本质与中国日常接触的可见光和X光一样，都是电磁辐射由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射（Synchrotron radiation）由于同步辐射造成的能量损失极大地阻碍了高能加速器能量的提高，因此在早期同步辐射被作为高能物理极力要排除的因素后来，人们发现同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能，如高准直性，高极化性，高相干性，宽的频谱范围、高光谱耀度和高光子通量等从70年代开始，发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究，其卓越的性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景，因此在几乎所有的高能电子加速器上都建造了同步辐射线站，以及各种应用同步辐射光的实验装置 　　同步辐射光源自1947年代诞生以来，已有近60年的历史，随着应用研究工作不断深入，应用范围不断拓展，对同步辐射光源的要求也不断提高，并经历了三代的快速历史发展阶段。

第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机，如北京光源（BSR）就是寄生于北京正负电子对撞机（BEPC）的典型第一代同步辐射光源；第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机，如上海光源(SSRF)世界上已建成的第一代同步辐射光源有17台，第二代有23台，第三代有13台（包括中国台湾及南韩的各1台），正在建造和设计的第三代同步辐射光源有12台预计到2010年前后，每天将有上万名科学家和工程师同时使用这些同步辐射光源，从事前沿学科研究和高新技术开发 　　第一代、第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要的区别，是在于作为发光光源的电子束斑尺寸或电子发射度的迥异例如第二代的合肥同步辐射光源，其电子束发射度约150纳米弧度，而第三代的上海光源，其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差近40倍，结果得到的光亮度差1600倍，近三个量级！另一显著差别是可使用的插入件的数量悬殊，第二代光源仅能安装几个插入件，而第三代光源可有十几个到几十个插入件由于插入件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能，可见插入件数量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。

 先进性地理位置与交通 　　性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化在用途最广的X射线能区利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能量为1-5keV产生最高耀度的同步辐射光，而且在5-20keV光谱区间可产生性能趋近6-8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光； 　　全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调利用不同波长的单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密； 　　高强度：总功率为600千瓦，是Ｘ光机的上万倍光通量大于1015光子/（S.10－3bw）高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以控制的实验以及医学、工业应用提供了可能； 　　高耀度：其耀度是最强的Ｘ光机的上亿倍，主要光谱复盖区的光耀度为1017～1020光子/（S.mm2.mrad2.10－3bw）高亮度为取得突破性科技成果提供了高空间分辨、高动量分辨和超快时间分辨的条件； 　　优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅为几十皮秒，可以单束团或多束团模式运行，相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量级，能为研究化学反应动力过程、生命过程、材料结构变化过程和大气环境污染过程等提供正确可信的数据； 　　高偏振：上海光源中在电子轨道平面上放出的同步光是完全线极化的, 而离开电子轨道平面方向发射的同步光则是椭圆极化的，因而是研究具有旋光性的生物分子、药物分子和表现为双色性的磁性材料的有力工具； 　　准相干：上海光源从插入件引出的高耀度光具有部分相干性, 为众多前沿学科的显微全息成像分析开辟了道路； 　　高稳定性，可以提供十几到几十小时的稳定束流，光束位置稳定度仅约光斑的10%； 　　高效性：总共将建设近60条以上光束线和上百个实验站，给用户的供光机时将超过5000小时/年，每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师，夜以继日地在各自的实验站上使用同步辐射光； 　　灵活性：光源可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式，可依据用户需求快速变换运行模式，以满足用户的多种需求； 　　前瞻性：首批光束线站的科学目标先进，能够满足中国多个学科领域对同步辐射应用的迫切需要，并至少具有30年科学寿命。

 国际地位“上海光源”高性能电子储存环旁的部分实验站 　　SSRF能量居世界第四（仅次于日本SPring-8、美国APS、欧洲ESRF），性能超过同能区现有的第三代同步辐射光源，是世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一； 　　光源建造规模符合中国国情，投资适中，在宽广的光子能区具有好的性能价格比光子能量范围优化在0.1-40keV在5-20keV的硬X射线区，其耀度可接近大而昂贵的。